二维CMOS风速计集成控制电路研究

　　风速传感器在工农业生产、动植物生长以及人们的日常生活中都有非常重要的作用。目前,荷兰和瑞士等国的科学家正在致力于该方面的研究,并已经有实用化的产品[1,2]。本实验室对于风速计的研究也由来已久。目前的风速计采用CMOS工艺制作,可以测量风速和风向。

　　这种风速风向传感器的测风原理是采用测量热平衡原理进行的,即在风通过传感器时造成芯片上X,Y方向的传感器输出不一样,该偏差与风速相关。X,Y方向上的分量则反映了风向的信息[3]。由于这种传感器风速风向的信息不是可以直接测量读出的,例如风向信息要进行函数计算,风速也不是线性输出,因此需要后续处理电路进行处理。这种处理电路可以在片外进行,也可以片上集成。由于片外搭制电路存在寄生效应大,容易受到干扰等问题,因此进行片上集成是目前的研究重点。处理电路目前主要包含两部分内容。一是测量,目的是取出热传感器的信号,便于进一步的计算。另一部分是驱动部分,即传感器的工作模式,目前有恒定电流,恒定电压,恒定温度,恒定功率及恒定温度差等五种。本论文研究的是将恒温差与测量电路集成在一起,实现单片集成。

　　1　传感器的工作原理

　　本传感器的结构如图1所示。中间是一个测温电阻,外面是八个由多晶硅组成的温度传感器,用来测量加热器周围的温度分布。测量时将传感器的表面加热,使其温度高于环境温度的一定数值,在有风吹过传感器表面时,由于不均匀冷却会在风向的上下游产生一个温度梯度,从而产生电压的变化。通过测量八个方向上的电压在不同风速下的值,得到不同风速下各个方向电压的变化曲线,由高斯拟合得到曲线的峰值,即为风向。整个传感器由标准CMOS工艺完成。

　　2　恒温差控制电路设计[4]

　　本传感器采用恒温差的控制方式。恒温差模式的控制方法是采用闭环控制将芯片加热,使芯片温度与环境(流体)的温度差保持恒定,一般在5~10℃,以此补偿环境温度的漂移[5],其控制电路见图2。Tα为测温元件检测的环境温度,ΔT为设定的芯片和环境之间的温差(一般在5℃),Tchip为检测到的芯片平均温度。将Tchip与Tα+ΔT相比较,控制晶体管Q1的导通程度,决定是否对芯片进行加热。

　　当芯片温度Tchip高于Tα+ΔT时,Q1截止;反之Q1打开,加热器对芯片进行加热,始终控制芯片温度与环境温差在设定的ΔT。

　　由于是起控制作用的电路,所以设计的主要目的是使其能对传感器进行控制,其他的设计要求则不是很高。在该系统中,控制部分的关键是一个放大器,输出端的控制三极管由于与CMOS工艺不兼容,采用外接的方式进行。因此所设计的恒温差控制电路的主体部分是一个运算放大器。由于多晶硅电阻的温度系数约为0.072%/℃,设计5℃的温差,放大器的输入变化范围为9 mV,假设驱动三极管的电压控制范围约为3 V,三极管的电流增益为80,则放大器的输出电压变化范围为50 mV左右,因此放大器的增益只需在5至10倍即可。我们采用的这种恒温差电路的基本电路结构如图3所示。